DE3009535A1

DE3009535A1 - Optikmodul fuer einen optoelektronischen entfernungsmesser

Info

Publication number: DE3009535A1
Application number: DE19803009535
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter Dipl Phys Grassl
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1980-03-12
Filing date: 1980-03-12
Publication date: 1981-09-17
Also published as: EP0036173A1; US4397547A; JPS56143404A; EP0036173B1

Description

. 3.

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München 3Qp 7 Q 1 8 DE

Qptikmodul für einen optoelektronischen Entfernungsmesser

Die Erfindung bezieht sich auf ein Optikmodul für einen optoelektronischen Entfernungsmesser nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solches Optikmodul wurde bereits in der DE-OS 28 13 914 und der älteren Patentanmeldung P 28 13 913.1 beschrieben und in den älteren Patentanmeldungen P 29 36 491.8, P 29 36 535.3 und P 29 36 521.7 erwähnt.

Dabei handelt es sich bei der DE-OS 28 13 914 um einen Entfernungsmesser für eine optische Kamera, der außer einer Anzeige der Entfernung eines Gegenstandes auch eine automatische Fokussierung der Abbildung desselben auf eine Bildebene bewirkt.

Wie insbesondere aus Fig. 1 und dem zugehörigen Text der DE-OS hervorgeht, enthält das Optikmodul Tier Umlenkspiegel und zwei Sammellinsen, die auf einer Chassisplatte sorgfältig zu montieren und justieren sind, um eine genaue Entfernungsmessung durchführen zu können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Optikmodul der eingangs genannten Art anzugeben, das wesentlich einfacher, herzustellen und zu montieren ist als die herkömmlichen. Diese Aufgabe wird durch die Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

St 1 Hub / 11.03.1980
35

130038/0521

-£- YPA 30 ρ 7 ΰ 1 8 QE

Der mit der Erfindung erzielbare Vorteil "besteht insbesondere darin., daß das Optikmodul im wesentlichen aus einem einzigen Korper aus transparentem Material besteht und daß sowohl die Funktion der strahlumlenkenden Elemente als auch die der Blenden in sehr einfacher Weise durch eine geeignete Ausbildung der Oberfläche desselben erfüllt wird. Darüber hinaus können eigene Fokussierelemente durch eine besondere Ausbildung einiger Oberflächenteile des transparenten Körpers eingespart werden_o Schließlich ist es auch möglich,, die linearen Bildsensoren ₉ die vorzugsweise auf einem Halbleiterkörper integriert sind₉ mit dem transparenten Körper zu einem einzigen Bauteil zusammenzufassen«

Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Optikmoduls nach der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 7 gekennzeichnet»

Die Erfindung wird nachfolgend aahand der Zeichnung näher erläutert« Dabei zeigt?

Fig. 1 eia nach der Erfindung ausgebildetes Optikiaodul

und

Fig. 2 sine Weiterbildung des Moduls nach Fig. 1 mit besonders geformten^ ©in© Fokussierung der

AbMldmgea. des Gegenstandes bewirkenden Ober= dien.

Ia Fig. 1 ist eine fotografische oder elektronische Kamera mit einem Gehäuse 1 und eines? Optik 2 sehematisch dargestellt«, Im laaeren des nur in seinem Umriß angedeuteten Gehäuses 1 sind die wesentlichen Bestandteile ©ines optoelektronischen Entfernungsmessers gezeigt ₉ der ein© Anzeige der Entfernung eines Gegenstandes von der Kamera liefert und insbesondere auch dazu benutzt werden fcansr, den Abstand d©r Optik 2 von einer sieht

·5·

-^- ™· 80 P 7 0 1 8 DE

dargestellten Bildebene auf einen solchen Wert einzustellen, daß der Gegenstand hierauf scharf abgebildet wird.

Mit dem Gehäuse 1 ist ein prismatischer KSrper 3 aus einem transparenten Material, z. B. aus Polymetha crylat-Harz oder Epoxidharz, verbunden, an dem eine optische Einrichtung 4 befestigt ist. Diese besteht aus einem scheibenförmigen Teil 4a, in dem sich zwei Ausnehmungen 4b und 4c befinden, die durch einen Steg 4d voneinander getrennt sind. In diese Ausnehmungen sind Sammellinsen SL1 und SL2 eingefügt. Anstelle einer Sammellinse kann jeweils auch eine Optik verwendet werden, die die Eigenschaft hat, achsparallel einfallende Lichtstrahlen in einem Brennpunkt zu sammeln. In einer senkrecht zur Bildebene der Fig. 1 verlaufenden, die Brennpunkte der Sammellinsen SL1 und SL2 enthaltenen Ebene sind zwei lineare Bildsensoren S2 und S2 angeordnet, die auf einem dotierten Halbleiterkörper 5 integriert sind. Zwischen dem scheibenförmigen Teil 4a und dem Halbleiterkörper 5 ist ein Abstandselement 5a angeordnet.

Jeder der Bildsensoren S1, S2 enthält eine Reihe von Sensorelementen, die jeweils aus Fotodioden, MIS-Kondensatoren oder aus Fotodioden und diesen zugeordneten MIS-Kondensatoren bestehen. Der Aufbau und die Arbeitsweise solcher Bildsensoren sind beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung P 29 36 491.8 beschrieben. Die mit 6 bezeichneten Ausgänge der einzelnen Sensorelemente sind mit Paralleleingängen einer Auswerteschaltung 7 verbunden, deren Ausgang 8 mit einer die Entfernung eines Gegenstandes anzeigenden Einrichtung 9 beschaltet ist. Andererseits kann der Ausgang 8 auch mit einer Fokussiereinrichtung 10 verbunden sein, die in Abhängigkeit von einem bei 8 abgreifbaren Signal den zur Fokussierung benötigten Abstand der Optik 2 von der Bildebene

130038/0521

300953:

-*- VPA 3Q ρ 7 0 1 8 BE

der Kamera mittels eines durch den Pfeil 10a angedeuteten Betätigungsvorgangs einstellt. Die Auswerteschaltung 7 kann mit Vorteil ebenfalls auf dem dotierten Halbleiterkörper 5 integriert sein.

Neben der in Fig. 1 angedeuteten Ausführung der Bildsensoren S1 und S2, bei der die einzelnen Sensorelemente mit Ausgängen versehen sind, die an die Paralleleingänge der Auswerteschaltung 7 geführt sind, kommt auch die Verwendung von Bildsensoren mit seriellen Ausgängen in Betracht, die zusammen mit einer angepaßten Auswerteschaltung z. B. in der DE-OS 28 13 914 beschrieben sind.

Die Teile 3, 4, 4a bis 4d, SL1 und SL2 bilden das Optikmodul des in Fig. 1 gezeigten optoelektronischen Entfernungsmessers. Im einzelnen weist der prismatische Körper 3 eine trapezförmige Grundfläche auf, die im mittleren Bereich der längeren der beiden zueinander parallelen Trapezseiten eine V-förmige Ausnehmung 11 aufweist. Die Seitenflächen 11a der entsprechenden Ausnehmung des Körpers 3 verlaufen parallel zu den ihnen gegenüberliegenden Flächen 12, 12a des Körpers 3. Die Grundfläche von 3 weist andererseits im mittleren Bereich der kürzeren der beiden zueinander parallelen Trapezseiten einen Ansatz 13 auf. Die endseitigen Bereiche 14, 15 der Seitenfläche 16, die sich hinter Pupillen 17 und 18 des Gehäuses 1 befinden, stellen Eintrittsfenster dar, durch die Lichtstrahlen in das Optikmodul eindringen. Mit Vorteil sind die Bereiche 14, 15 durch kleine Absätze 19, 20 hervorgehoben.

Betrachtet man in Richtung der optischen Achse verlaufende Lichtstrahlen L1 bis L3, die von einem sehr weit entfernten Gegenstand ausgehen, so werden diese an der Fläche 12a um 90° umgelenkt und gelangen zu der rechten

130038/0521

Seitenfläche 11a, an der sie wieder um 90° umgelenkt werden. Damit an den Flächen 12a und 11a, sowie an der Fläche 12, eine möglichst totale Reflexion der Lichtstrahlen erfolgt, sind diese Flächen sehr glatt ausgebildet oder verspiegelt. Die doppelt umgelenkten Strahlen L1 bis L3 werden dann in der Sammellinse SL2 so gebrochen, daß sie sich in einem Punkt P des Bildsensors S2 treffen. Ein Lichtstrahl L4, der von einem sehr weit entfernten Gegenstand ausgeht, gelangt nach einer doppelten Umlenkung an der Fläche 12 und der linken Seitenfläche 11a über die Sammellinse SL1 in den Punkt P1 des Bildsensors S1.

Nimmt man an, daß sich der Gegenstand in Richtung der Lichtstrahlen L1 bis L3 in einem solchen Abstand von der Kamera befindet, daß der Lichtstrahl L5 anstelle von L4 seine Richtung kennzeichnet, so trifft L5 einen Punkt P1· des Bildsensors S1. Die Strecke χ zwischen den Punkten P1 und P1 ·, um die sich das auf die Ebene der Bildsensoren S1 und S2 über die Teile 14, 12, 11a und SL1 projizierte Bild des Gegenstandes gegenüber dem Bild des sehr weit entfernten Gegenstandes verschoben hat, stellt ein Maß für die tatsächliche Entfernung des Gegenstandes dar. Bezeichnet man den Abstand der beiden Eintrittsfenster 14 und 15 voneinander als Basis b, die Brennweite der Sammellinse SL1 bzw. SL2 als f, die vom Schnittpunkt der Lichtstrahlen L4 und L5 an gemessene Entfernung des Gegenstandes mit a und den Brechungsindex des Materials des Körpers 3 mit n, so ergibt sich die Beziehung

An dem zweiten Bildsensor S2 ergibt sich eine andere Verschiebung y der auf ihn projizierten Bildpunkte des Gegenstandes gegenüber den entsprechenden Bildpunkten

130038/052 1

80 P 7 0 1 8 QE

des sich in sehr großer Entfernung von der Kamera befindenden Gegenstandes, sobald sich der Gegenstand nicht mehr in der Richtung der Lichtstrahlen L1 bis L3 befindet. Hierbei stellt dann die Summe der Ver-Schiebungen x+y ein Maß für die tatsächliche Entfernung des Gegenstandes dar.

Der Wert x+y wird in der Auswerteschaltung 7 in der Weise ermittelt, daß die Sensorsignale des Bildsensors S1 mit den Sensorsignalen des Bildsensors S2 in Abhängigkeit von unterschiedlichen Positionsverschiebungen hinsichtlich ihrer Korrelation überprüft werden. Die Positionsverschiebung, bei der die maximale Korrelation auftritt, entspricht dabei dem gesuchten Wert x+y. Am Ausgang 8 ist dann eine elektrische Größe abgreifbar, die diesem Wert und damit der Entfernung des Gegenstandes entspricht. Die Arbeitsweise einer solchen Auswerteschaltung ist beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung P 29 36 491.8 beschrieben.

Abgesehen von den Bereichen der Eintrittsfenster 14, 15, den Austrittsfenstern, die als die Bereiche der Grenzfläche Fl angesehen werden können, welche vor den Ausnehmungen 4b und 4c liegen, und den Flächen 11a, 12 und 12a sollte die Oberfläche des Körpers 3 möglichst rauh ausgebildet und zweckmäßigerweise geschwärzt sein, um Streu- und Falschlichteinflüsse weitgehend auszuschalten. Einkerbungen 21, 22 und 23 tragen ebenfalls zur Verringerung dieser Einflüsse bei, da sie wie optische Blenden wirken.

Fig. 2 zeigt eine Weiterbildung des Optikmoduls nach Fig. 1, bei der anstelle der ebenen Seitenflächen 11a nunmehr fokussierende Seitenflächen 11a' vorgesehen sind. Diese haben die Wirkung von Sammellinsen mit den Brennpunkten 24 und 25. An die Stelle des Ansatzes

130038/0521

J-

-#- VPA 80 P 70 1 8QE

in Fig. 1 tritt dabei ein verlängerter Ansatz 13', dessen Grenzfläche Fl' senkrecht zur Bildebene von Fig. 2 verläuft und die Brennpunkte 24 und 25 enthält. Die optische Einrichtung 4 entfällt und die auf dem dotierten Halbleiterkörper 5 integrierten Bildsensoren S1 und S2 grenzen unmittelbar an die Fläche Fl¹ an. Somit kann der Halbleiterkörper 5 mit dem Körper 3 zu einem einzigen Bauteil zusammengefaßt werden. Die für die Anordnung nach Fig. 1 abgeleitete Beziehung für die Größen a, b, f, η und χ gilt auch für Fig. 2, wenn berücksichtigt wird, daß die Brennweite f dem Abstand der Mitte der Seitenflächen 11a' von der Grenzfläche Fl¹ entspricht.

Die gewünschte Fokussierung durch die Seitenflächen 11a¹ wird erreicht, wenn diese als Hohlspiegel ausgebildet werden, z. B. als Ausschnitte der Oberflächen zweier Paraboloide, deren Achsen in der Ebene der Grenzfläche Fl' liegen. Für viele Anwendungsfälle wird es auch genügen, die Seitenflächen 11a' als Ausschnitte zweier Kugelflächen oder als Ausschnitte der Oberflächen zweier Ellipsoide auszubilden, deren große Achsen in der Ebene der Grenzfläche Fl' liegen.

Die fokussierende Wirkung der Flächen 11a¹ kann verstärkt werden, indem anstelle der planen Flächen 12 und 12a konkave Flächen 12' und 12a' verwendet werden, die ebenfalls als Hohlspiegel, insbesondere als Ausschnitte " von Paraboloiden, Ellipsoiden oder Kugelflächen, ausgebildet sind.

Das Optikmodul nach der Erfindung ist nicht nur in Verbindung mit einem in eine fotografische oder elektronische Kamera eingebauten Entfernungsmesser zu verwenden, sondern ganz allgemein als ein wesentlicher Bestandteil eines optoelektronischen Entfernungsmessers aufzufassen,

130038/0621

-β- VPA 80 P 7 0 U DE

der beispielsweise zur Messung der Position eines zu bearbeitenden Werkstückes in einer Werkzeugmaschine, zur Messung des Abstandes bzw. der Relativgeschwindigkeit zweier Fahrzeuge oder dergleichen eingesetzt wird.

8 Patentansprüche
2 Figuren

130038/0521

Leerseite

Claims

^VPA 80 P 7 0 1 8 QE

Patentansprüche

' 1J Optikmodul mit doppelter Strahlenumlenkung für die Projektion zweier Abbildungen eines Gegenstandes auf zwei in einer Bildebene angeordnete lineare Bildsensoren eines optoelektronischen Entfernungsmessers, dadurch gekennzeichnet, daß ein wenigstens annähernd prismatischer Körper (3) aus transparentem Material vorgesehen ist, der eine wenigstens annähernd trapezförmige Grundfläche mit einer V-förmigen Ausnehmung (11) im mittleren Bereich der längeren der beiden zueinander parallelen Trapezseiten aufweist, wobei die Seitenflächen (11a) der entsprechenden Ausnehmung des Körpers (3) zu den ihnen gegenüberliegenden Körperflächen (12, 12a) etwa parallel verlaufen, daß die Grundfläche im mittleren Bereich der kürzeren der beiden zueinander parallelen Trapezseiten einen Ansatz (13) aufweist, daß an den Enden der Kox-*perflache (16), die sich über der längeren der beiden zueinander parallelen Trapezseiten befindet, zwei Eintrittsfenster (14, 15) vorgesehen sind und daß der über dem Grundflächenansatz (13) befindliche Teil des Körpers Austrittsfenster aufweist.
2. Optikmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß im Strahlengang der Abbildungen optische Fokussiereinrichtungen (4) vorgesehen sind, die vorzugsweise an dem Körper (3) befestigt sind, wobei der Körper (3) prismatisch ausgebildet ist und eine trapezförmige Grundfläche aufweist.
3. Optikmodul nach Anspruch 1, dadurch g e kennzeichnet, daß die Seitenflächen (11a¹) der Ausnehmung des Körpers (3) jeveils als Hohlspiegel ausgebildet sind.
4. Optikmodul nach Anspruch 1 oder 3, dadurch

gekennzeichnet, daß die den Seitenflächen

130038/0521

*· VPA go ρ 7 ο t8 QE

(11a¹) der Ausnehmung gegenüberliegenden Flächen (12·, 12a') des Körpers 3 als Hohlspiegel ausgebildet sind.
5. Optikmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Körpers (3) außerhalb der Eintrittsfenster (14, 15), der Austrittsfenster und der strahlenumlenkenden Oberflächenteile (11a, 12, 12a) rauh ausgebildet und vorzugsweise geschwärzt ist.
6. Optikmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die strahlenumlenkenden Oberflächenteile (11a, 12, 12a) des Körpers (3) glatt ausgebildet und vorzugsweise verspiegelt sind.
7. Optikmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (3) in den Bereichen oberhalb der Ecken, die von der kürzeren der beiden zueinander parallelen Trapezseiten und dem Grundflächenansatz (13) gebildet werden, mit Einkerbungen (21, 22) versehen ist.
8. Optikmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die linearen Bildsensoren (S1, S2) auf einem Halbleiterkörper (5) integriert sind, der mit dem Körper (3) zu einer Baueinheit zusammengefaßt ist.

130038/0521